Anforderungen Engineering in Quanten-Software verstehen

Quanten-Software-Engineering wird immer beliebter, mit mehr Studien, die in verschiedenen Bereichen wie Modellierung, Testing und Fehlersuche veröffentlicht werden. Allerdings wurde der Bereich der Anforderungen für Quanten-Software nicht so intensiv erforscht. Dieser Teil des Software-Engineerings beschäftigt sich damit, was in die Software eingebaut werden muss, bevor sie erstellt wird. Es ist wichtig, denn wenn dieser Teil nicht gut gemacht wird, kann das später zu teuren Problemen führen, wenn Fehler in der Software gefunden werden.

In diesem Artikel werden wir besprechen, wie sich das Requirements Engineering für Quanten-Software von traditioneller Software unterscheidet und warum es wichtig ist, dieser Bereich Beachtung zu schenken. Wir werden auch ein Beispiel geben, um unsere Punkte zu verdeutlichen.

#Die Bedeutung des Requirements Engineering in Quanten-Software

Wie bei traditioneller Software umfasst die Entwicklung von Quanten-Software mehrere Phasen, einschliesslich Requirements Engineering, Design, Testing und Fehlersuche. Während in diesen Phasen viel Forschung betrieben wurde, ist das Requirements Engineering für Quanten-Software noch ein relativ unberührter Bereich. Wenn diese Phase nicht richtig ausgeführt wird, kann das zu fehlerhafter Quanten-Software führen, was später hohe Kosten für Korrekturen verursacht.

Unser Fokus liegt auf dem Requirements Engineering für Quanten-Software, was den Prozess umfasst, zu identifizieren und zu definieren, was die Quanten-Software tun soll. Es ist entscheidend, die einzigartigen Aspekte der Anforderungen an Quanten-Software zu verstehen, um erfolgreiche Systeme aufzubauen.

#Ein motivierendes Beispiel: Kreditrisikoanalyse

Um die Unterschiede bei den Anforderungen zu veranschaulichen, betrachten wir ein Beispiel für die Verwendung von Quanten-Algorithmen zur Kreditrisikoanalyse. In diesem Fall interessiert uns die Berechnung wichtiger finanzieller Kennzahlen, die als Value at Risk (VaR) und Conditional Value at Risk (CVaR) bekannt sind. Diese Berechnungen helfen Finanzinstituten, das Risiko von Verlusten in ihren Anlageportfolios zu verstehen.

In unserem Beispiel ist ein Kreditanalyst verantwortlich für das Management von Risiken in der Finanzwelt. Zu seinen Aufgaben gehört es, das erforderliche Vertrauensniveau für die Berechnungen zu definieren, VaR zu bestimmen und CVaR zu berechnen. Die Anforderungen für diese Aufgaben können in verschiedene Kategorien unterteilt werden, wie Funktionale Anforderungen (was die Software tun muss) und extra-funktionale Anforderungen (wie gut oder effizient sie das tut).

#Wichtige Aspekte des Requirements Engineering für Quanten-Software

#Identifizierung der Stakeholder

In jedem Software-Entwicklungsprozess sind Stakeholder Personen oder Organisationen, die ein Interesse an dem zu entwickelnden System haben. Dazu gehören Nutzer, Kunden und Entwickler. Bei der Erstellung von Quanten-Software bleiben die Stakeholder ähnlich wie bei traditioneller Software. Zum Beispiel gehören in unserem Beispiel zur Kreditrisikoanalyse Stakeholder wie Kreditanalysten, Kreditnehmer, Banken und Softwareentwickler. Jeder Stakeholder hat unterschiedliche Anliegen, wie Benutzerfreundlichkeit, Leistung und Kosten.

#Klassifikationen der Anforderungen

Anforderungen können in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: funktionale und extra-funktionale Anforderungen. Funktionale Anforderungen betreffen die spezifischen Aufgaben, die die Software erfüllen muss, wie die Berechnung von VaR. Auf der anderen Seite befassen sich extra-funktionale Anforderungen mit anderen wichtigen Attributen, wie Leistung und Sicherheit.

Bei Quanten-Software ist es auch wichtig, Anforderungen basierend darauf zu klassifizieren, ob sie sich auf die quantenmechanischen oder klassischen Teile des Systems beziehen. Diese Klassifikation hilft zu verstehen, welche Aufgaben das Quantencomputing erfordern und welche mit traditionellem Computing erledigt werden können.

#Funktionale Anforderungen

Funktionale Anforderungen beschreiben, was die Quanten-Software erreichen soll. In unserem Beispiel können die funktionalen Anforderungen beinhalten, den Value at Risk auf einem bestimmten Vertrauensniveau zu bestimmen. Eine klare Definition dieser funktionalen Anforderungen ist entscheidend, um sicherzustellen, dass die Software die Bedürfnisse ihrer Nutzer erfüllt.

#Extra-funktionale Anforderungen

Extra-funktionale Anforderungen beinhalten Qualitätsattribute wie Leistung, Sicherheit und Zuverlässigkeit. Für Quanten-Software können diese Anforderungen aufgrund der einzigartigen Herausforderungen des Quantencomputings erheblich von traditionellen Softwareanforderungen abweichen.

Zum Beispiel könnte in unserer Kreditrisikoanalyse eine extra-funktionale Anforderung festlegen, dass die Schätzgenauigkeit wesentlich besser sein muss als bei traditionellen Methoden. Das bedeutet, dass wir die Anzahl der benötigten Quanten-Gatter und Qubits für die Aufgabe schätzen müssen.

Es ist auch wichtig, Hardware-Beschränkungen zu identifizieren, wie die begrenzte Anzahl von Qubits, die verfügbar sind, und die Tiefe der Schaltungen, die ausgeführt werden können. Diese Einschränkungen sind entscheidend, um sicherzustellen, dass die Quanten-Algorithmen effektiv implementiert werden können.

#Unterscheidung zwischen Quanten- und klassischen Anforderungen

Bei der Entwicklung von Quanten-Software ist es entscheidend, zwischen Anforderungen zu unterscheiden, die mit klassischen Computern bearbeitet werden müssen, und solchen, die Quantencomputer erfordern. Einige Anforderungen müssen möglicherweise hybrid behandelt werden, indem sowohl klassische als auch quantenmechanische Ansätze kombiniert werden.

Durch die Unterscheidung dieser Anforderungen können Entwickler informierte Entscheidungen während des Entwicklungsprozesses treffen und sicherstellen, dass die richtigen Aufgaben den entsprechenden Rechenressourcen zugewiesen werden.

#Spezifische extra-funktionale Anliegen

Während sich das Quantencomputing weiterentwickelt, müssen spezifische extra-funktionale Anforderungen adressiert werden. Eine der wichtigen Anforderungen ist Portabilität, die es Quanten-Software ermöglicht, auf verschiedenen Quantencomputing-Technologien eingesetzt zu werden.

Ein weiteres wichtiges Anliegen sind Leistungsanforderungen. Zum Beispiel muss die Software in unserem Beispiel der Kreditrisikoanalyse eine Verbesserung der Schätzgenauigkeit gegenüber traditionellen Methoden zeigen. Das bedeutet, dass die Anforderungen sorgfältig definiert werden müssen, um zu bewerten, ob die erwarteten Leistungssteigerungen erreicht werden können, angesichts des aktuellen Stands der Quantencomputing-Technologie.

Zuverlässigkeit ist ein weiteres kritisches Anliegen für Quanten-Software. Aufgrund von Hardwarefehlern müssen Entwickler die Auswirkungen dieser Fehler auf die Gesamtzuverlässigkeit der Software berücksichtigen. Frühzeitige Entscheidungen müssen möglicherweise über Mechanismen zur Fehlerbewältigung oder zur Verbesserung der Fehlertoleranz getroffen werden.

Skalierbarkeitsanforderungen sind ebenfalls wichtig. Wenn mehr Qubits benötigt werden, um realistische Szenarien zu modellieren, müssen die Entwickler sicherstellen, dass die Software effizient skalieren kann. Das beinhaltet die Definition von Parametern in Bezug auf die erwartete Komplexität der zu lösenden Probleme und die Sicherstellung, dass die Tiefe der Quanten-Schaltungen handhabbar bleibt.

#Wartbarkeit und Wiederverwendbarkeit

Wie bei traditioneller Software muss auch Quanten-Software die Wartbarkeit berücksichtigen. Da sich die Hardware weiter verbessert, wird Quanten-Software Aktualisierungen benötigen, um neue Fähigkeiten zu nutzen. Daher müssen die Wartbarkeitsanforderungen während des Entwicklungsprozesses erfasst werden.

Wiederverwendbarkeit ist ein weiterer wichtiger Aspekt von Quanten-Software. Die Fähigkeit, Quanten-Softwarekomponenten in verschiedenen Systemen zu verwenden, kann die Produktivität steigern und die Entwicklungszeit verkürzen. Anforderungen, die sich auf die Wiederverwendbarkeit beziehen, müssen jedoch ausdrücklich erfasst werden, um sicherzustellen, dass die Komponenten so konzipiert sind, dass sie leicht in verschiedene Anwendungen integriert werden können.

#Diskussionen und Vorschläge

Bei der Ermittlung von Anforderungen für Quanten-Software ist es wichtig, sich darauf zu konzentrieren, welche Probleme die Software lösen soll, statt darauf, wie sie implementiert wird. Die Identifizierung der Stakeholder und die Definition der Systemgrenzen bleiben relevant, auch wenn einige Unterschiede aufgrund der einzigartigen Herausforderungen des Quantencomputings bestehen können.

Relevante Methoden wie Interviews und Prototypen können für die Anforderungsermittlung eingesetzt werden, ähnlich wie bei der Entwicklung traditioneller Software. Allerdings könnten Stakeholder spezifische Anliegen in Bezug auf Quantencomputing haben, die während dieser Phase berücksichtigt werden müssen.

Anforderungsspezifikationen für Quanten-Software müssen sich auch anpassen, um neue Konzepte zu berücksichtigen, die im Quantencomputing auftauchen. Bestehende Notationssysteme für traditionelle Software könnten Erweiterungen benötigen, um die einzigartigen Eigenschaften der Quanten-Software einzubeziehen.

Die Verifizierung und Validierung von Anforderungen für Quanten-Software haben im Vergleich zu anderen Bereichen der Quanten-Software-Entwicklung weniger Aufmerksamkeit erhalten. Trotzdem können einige bestehende Methoden angewendet werden, um Anforderungen für Quanten-Software zu verifizieren und zu validieren, auch wenn es Herausforderungen im Zusammenhang mit der Komplexität geben kann.

#Fazit

Das Requirements Engineering für Quanten-Software bleibt im Vergleich zu anderen Phasen der Quanten-Software-Entwicklung ein wenig erforschtes Gebiet. Die Schlüsselunterschiede zwischen Quanten- und traditionellen Software-Anforderungen zu verstehen, ist entscheidend für eine erfolgreiche Software-Entwicklung. Indem sie die einzigartigen Aspekte des Quantencomputings anerkennen, können Stakeholder informierte Entscheidungen treffen, die den gesamten Entwicklungsprozess beeinflussen.

Mit dem Fortschritt der Quanten-Technologie wird es wichtig sein, die Praktiken im Requirements Engineering anzupassen, um die Bedürfnisse dieses sich schnell entwickelnden Bereichs zu erfüllen. Fortlaufende Forschung und Entwicklung in diesem Bereich werden den Weg für robustere und effektivere Quanten-Software-Systeme in der Zukunft ebnen.